Electrons à effet photoélectrique de la matière et de la lumière

L'effet photoélectrique se produit lorsque la matière émet des électrons lors d'une exposition à un rayonnement électromagnétique, comme des photons de lumière. Voici de plus près ce qu'est l'effet photoélectrique et comment il fonctionne.

Aperçu de l'effet photoélectrique

L'effet photoélectrique est étudié en partie parce qu'il peut être une introduction à la dualité onde-particule et à la mécanique quantique.

Lorsqu'une surface est exposée à une énergie électromagnétique suffisamment énergétique, la lumière est absorbée et des électrons sont émis. La fréquence de seuil est différente pour différents matériaux. Il s'agit de la lumière visible pour les métaux alcalins, de la lumière quasi ultraviolette pour d'autres métaux et du rayonnement ultraviolet extrême pour les non-métaux. L'effet photoélectrique se produit avec des photons ayant des énergies de quelques électrons-volts à plus de 1 MeV. Aux énergies photoniques élevées comparables à l'énergie de repos des électrons de 511 keV, une diffusion Compton peut se produire, la production de paires peut avoir lieu à des énergies supérieures à 1,022 MeV.

Einstein a proposé que la lumière soit constituée de quanta, que nous appelons photons. Il a suggéré que l'énergie dans chaque quantum de lumière était égale à la fréquence multipliée par une constante (constante de Planck) et qu'un photon avec une fréquence supérieure à un certain seuil aurait suffisamment d'énergie pour éjecter un seul électron, produisant l'effet photoélectrique. Il s'avère que la lumière n'a pas besoin d'être quantifiée pour expliquer l'effet photoélectrique, mais certains manuels persistent à dire que l'effet photoélectrique démontre la nature particulaire de la lumière.

Les équations d'Einstein pour l'effet photoélectrique

L'interprétation d'Einstein de l'effet photoélectrique donne des équations valables pour la lumière visible et ultraviolette:

énergie du photon = énergie nécessaire pour éliminer un électron + énergie cinétique de l'électron émis

hν = W + E

où
h est la constante de Planck
ν est la fréquence du photon incident
W est la fonction de travail, qui est l'énergie minimale requise pour retirer un électron de la surface d'un métal donné: hν₀
E est l'énergie cinétique maximale des électrons éjectés: 1/2 mv²
ν₀ est la fréquence de seuil de l'effet photoélectrique
m est la masse au repos de l'électron éjecté
v est la vitesse de l'électron éjecté

Aucun électron ne sera émis si l'énergie du photon incident est inférieure à la fonction de travail.

En appliquant la théorie spéciale de la relativité d'Einstein, la relation entre l'énergie (E) et la quantité de mouvement (p) d'une particule est

E = [(pc)² + (mc²)²]^(1/2)

où m est la masse au repos de la particule et c est la vitesse de la lumière dans le vide.

Caractéristiques clés de l'effet photoélectrique

• La vitesse à laquelle les photoélectrons sont éjectés est directement proportionnelle à l'intensité de la lumière incidente, pour une fréquence donnée de rayonnement incident et de métal.
• Le temps entre l'incidence et l'émission d'un photoélectron est très petit, moins de 10^-9 seconde.
• Pour un métal donné, il existe une fréquence minimale de rayonnement incident en dessous de laquelle l'effet photoélectrique ne se produira pas, donc aucun photoélectron ne peut être émis (fréquence seuil).
• Au-dessus de la fréquence seuil, l'énergie cinétique maximale du photoélectron émis dépend de la fréquence du rayonnement incident mais est indépendante de son intensité.
• Si la lumière incidente est polarisée linéairement, la distribution directionnelle des électrons émis culminera dans la direction de la polarisation (la direction du champ électrique).

Comparaison de l'effet photoélectrique avec d'autres interactions

Lorsque la lumière et la matière interagissent, plusieurs processus sont possibles, selon l'énergie du rayonnement incident. L'effet photoélectrique résulte d'une lumière de faible énergie. La mi-énergie peut produire la diffusion Thomson et la diffusion Compton. La lumière à haute énergie peut provoquer la production de paires.